JP2002518169A

JP2002518169A - 改善されたクロスフロー式フィルタカセット

Info

Publication number: JP2002518169A
Application number: JP2000555690A
Authority: JP
Inventors: ウルリッヒグルメルト，; ハンス−ヴェッドシュミット，
Original assignee: ザトーリウスアクチエンゲゼルシャフト
Priority date: 1998-06-19
Filing date: 1999-06-05
Publication date: 2002-06-25
Also published as: DE19827473C1; WO1999067012A1; US6368505B1; EP1089805B1; EP1089805A1

Abstract

(57)【要約】本発明は、未強化膜を装備でき、ポンプ能力可変のクロスフロー式濾過装置に使用される改善された液状媒体濾過用クロスフロー式フィルタカセットに関する。本発明に係るクロスフロー式フィルタカセットは、少なくとも１つの保留分離隔部材を含み、上記保留分離隔部材において、１つの種類のチャネル（例えば、保留分排出チャネル）を構成するための開いたボアに対する入口は、別種のチャネル（例えば、流体供給チャネル）を構成するための開いたボアに対する入口よりも大きい。公知のクロスフロー式フィルタカセットに比して、本発明に係る改善されたクロスフロー式フィルタカセットの場合、保留分側の同一の圧力差において同一の濾過能を達成するために必要な保留分流量は、少なくとも１／１．８に減少できる。かくして、向流濾過においてポンプ能力によって決まるエネルギ経費が、明らかに減少される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】本発明は、クロスフロー式濾過装置に配置され固定板の間で運転される改善さ
れたクロスフロー式フィルタカセットに関する。

【０００２】本発明に係る改善されたクロスフロー式フィルタカセットによって、流体、例
えば、薬品分野、医療分野、化粧品分野、化学分野、バイオテクノロジー分野、
遺伝子技術分野、電子技術分野、環境保護分野および研究分野における液体、エ
マルジョン、食材および飲料（例えば、ビール、麦芽汁、ワイン、ジュース、水
、ミネラルウォータおよび牛乳）、飲料水、工業用水、排水および溶液を濾過で
きる。上記フィルタカセットは、溶液の物質分離、発熱物質除去および殺菌、流
体から有害物質の分離、生物学的溶液の濾過および濃縮、微生物（例えば、バク
テリア、酵母、ウィルスおよび細胞成分）の分離、タンパク質溶液および他の生
物学的媒体の脱塩、イオン、巨大分子およびバイオ分子の物質分離に使用できる
。

【０００３】クロスフロー式濾過は、少なくとも１つのフィルタカセットを設けた、しかし
ながら、一般的には、複数のフィルタカセットをスタックとして設けたカセット
濾過装置によって実施される。この場合、フィルタカセットの周縁範囲は、固定
板の間に液密に押込まれている。この場合、固定板は、分配器と、流体供給チャ
ネル、保留分排出チャネルおよび濾液排出チャネルに対する接続とを有する流入
板および／または流出板として構成されている（ＷＯ９６／２８２４０，ＥＰ−
ＰＳ０３４５２０９）。周縁範囲の密封材が硬質密封材（例えば、ポリプロピレ
ンからなる密封材）からなる場合、弾性的平パッキンを使用してフィルタカセッ
トを相互にまたは固定板に対して液密に固定する。永久弾性密封材（例えば、シ
リコーン密封材）の場合、補足のパッキンを使用せずに液密固定を達成できる。
クロスフロー式濾過の場合、被濾過流体を流入板および対応するチャネルを介し
てフィルタカセットの被濾過流体用オーバフロー間隙に押込む。上記流体は、膜
面をオーバフローし、保留分として排出される。一部は、膜を透過し、捕集さ
れ、対応するチャネルおよび流出板を介して濾液として装置から排出される。流
体の流量および圧力は、ポンプ(Kanal))および弁で調節する。この種のクロスフ
ロー式濾過装置を最適に運転するには、被濾過流体／保留分のオーバフローを実
現するためのポンプ能力をフィルタカセットの立体配置、特に、被濾過流体のオ
ーバフロー間隙の高さに適合させなければならない。さもないと、効果的な濾過
に必要なオーバフロー速度および膜透過圧に達しないか、これらの必要な数値を
越えることになる。

【０００４】クロスフロー式フィルタカセットは、公知であり、例えば、米国特許第４７１
５９５５号およびドイツ特許第３４４１２４９号に記載されている。フィルタカ
セットは、被濾過流体のオーバフロー間隙を構成するための少なくとも１つの保
留分離隔部材と、第１膜と、濾液捕集間隙を構成するための濾液離隔部材と、第
２膜とを交互に配置した偏平なセクションからなる多数の隣接のフィルタセルか
ら構成されている。セクションは、一般に、その周縁範囲に、セクションの面に
好ましくは垂直に延びる流体供給チャネルと、保留分排出チャネルと、濾液排出
チャネルとを構成するためのボア(Durchbrechungen)に対する入口を有する。こ
の場合、離隔部材のチャネル方向へ閉鎖されたボアは、離隔部材の平面から僅か
に突出した密封材によって液密に囲まれている。離隔部材のチャネルと連通する
残余のボアは、密封材によって囲まれてなく、開放している。離隔部材に膜を過
度に押圧または圧入することによって誘起されて、特に、密封材の移行範囲に現
れる機械的損傷に対して膜を保護するため、一方のまたは双方の膜面を繊維強化
材（例えば、フリース）で被った繊維強化膜を使用する。このような繊維強化膜
の場合、未強化膜に比して、濾液の通過量が少なく、従って、濾過能力が低いと
いう欠点がある。他の方策として、ドイツ特許第３４４１２４９号には、セクシ
ョンの間に保護環状マスクおよび保護フレームを補足して組込むことが提案され
ている。かくして未強化膜が機械的損傷に対して保護されると同時に、被濾過流
体のオーバフロー間隙の高さが増大される（いわゆる広間隙モジュール）。保護
環状マスクおよび保護フレームの厚さによって、オーバフロー間隙の高さをある
範囲内で調節できる。かくして、一連の利点、例えば、良好な粒子流動性、多種
類の厚さの離隔部材（特に、粗な織物）の使用、膜の僅かな機械的負荷および粘
稠媒体の濾過可能性が得られるが、拡張されたオーバフロー間隙にもとづき、最
適な濾過に必要な被濾過流体の膜面通過オーバフロー速度を達成するには高いポ
ンプ能力が必要であるという欠点がある。この種のフィルタカセットを備えた装
置は、高いエネルギ経費を必要とする。更に、ポンプ能力の低い装置においては
、最適な能力は達成されない。

【０００５】最初から間隙高さの低いフィルタカセット、即ち、例えば保護環状マスクおよ
び保護フレームによって拡張されタオーバフロー間隙を有していないフィルタカ
セット（いわゆる狭間隙モジュール）の使用には、低いポンプ能力において既に
高いオーバフロー速度が達成されるという利点があるが、膜の高い機械的負荷に
おいても薄い離隔部材の使用に制限され且つ濾過に使用される自由膜面積が減少
されるという欠点が生ずる。即ち、離隔部材として微細な織物を使用することに
よって、織物ヤーン上の膜の濾過に関与しない載置点の数が、厚い粗な織物に比
してまたは保護環状マスクおよび保護フレームを有するフィルタカセットに比し
て増大される。更に、この種のフィルタカセットは、低い粒子流動性および粘稠
媒体の不良な濾過能を示す。

【０００６】従って、本発明の課題は、クロスフロー式濾過装置において各種のポンプ能力
で運転できる改善されたクロスフロー式フィルタカセットを提供することにある
。本発明の他の課題は、狭間隙モジュールとして未強化膜を備えているにも拘わ
らず運転できる改善されたクロスフロー式フィルタカセットを提供することにあ
る。

【０００７】この課題は、独立請求項の特徴記載部分に開示の特徴によって解決される。本
発明の有利な例は、従属請求項の特徴によって定義してある。

【０００８】本発明に係るクロスフロー式フィルタカセットは、１つの種類のチャネルを構
成するための開いたボアに対する入口が、別種のチャネルを構成するための開い
たボアに対する入口よりも大きい少なくとも１つの保留分離隔部材が設けてある
ことを特徴とする。少なくとも１つの保留分離隔部材の開いたボアに対するより
大きい入口が流体供給チャネルを形成するよう流入板および／または流出板にク
ロスフロー式フィルタカセットを接続すれば、上記オーバフロー間隙には、流体
供給チャネルおよび保留分排出チャネルに関する開いたボアに対して等大の入口
を有する残余のオーバフロー間隙の場合よりも高い圧力レベルの圧力勾配が生ず
る。このより高い圧力レベルによって、明らかに、偏平なセクションに力が作用
し（上記オーバフロー間隙が拡張され）、その結果、残余のオーバフロー間隙が
狭窄され、かくして、オーバフロー速度が上昇するか、オーバフロー速度を不変
とすれば、フィルタカセットを介して送給される単位時間当りのオーバフロー流
体量を減少する必要がある。

【０００９】本発明の変更例の場合、膜の周縁範囲は、ボアを開放する保護フレームで被う
か、膜のボアの範囲は、ボアを開放する保護環状マスクで被う。かくして、機械
的に敏感な未強化膜をフィルタカセットに組込むことが可能であるが、同時に、
オーバフロー間隙が拡大され、膜の最適なオーバフローを実現するためのポンプ
能力を増加する必要がある。このマイナス効果は、上述の本発明に係る方策によ
って排除される。なぜならば、上述の如く、オーバフロー間隙が狭窄されるから
である。

【００１０】本発明の有利な例の場合、開いたボアに対する大きさの異なる入口を有する保
留分離隔部材が、外側および／または内側の保留分離隔部材（２）としてまたは
周期的順序でフィルタカセットに設けてある。

【００１１】驚くべきことには、流入板および／または流出板にクロスフロー式フィルタカ
セットを接続して、第１の場合には、少なくとも１つの保留分離隔部材の開いた
ボアに対するより大きい入口で流体供給チャネル（流出側）を形成し、第２の場
合には、流体供給チャネル（流入側）を形成すれば、濾過能力の大きい本発明に
係るクロスフロー式フィルタカセットをポンプ能力の大きいクロスフロー式濾過
装置においてもポンプ能力の小さいクロスフロー式濾過装置においても運転でき
るということが判った。

【００１２】本発明に係るクロスフロー式フィルタカセットは、双方の可能な流動方向へ非
対称の流動性を有する。これは、装置技術的に、例えば、クリーニング中に、流
動反転によって再び最適な圧力条件を達成するのに利用できる。この非対称の流
動性を利用する他の方式の場合、クロスフロー式濾過装置を低圧で始動し、濾過
中に圧力をゆつくり上昇させる。

【００１３】例を示す図面を参照して本発明を詳細に説明する。

【００１４】図１に示した如く、織物１からなる保留分離隔部材２は、ボア３，４，５を有
し、この場合、開いたボア３には、流体供給チャネル６が貫通し、閉じたボア４
には、濾液排出チャネル７が貫通し、開いたボア５には、保留分排出チャネル８
が貫通する。この場合、開いたボア３，５は、保留分離隔部材２によって形成さ
れたオーバフロー間隙と連通する。開いたボア３は、保留分排出チャネル８に関
する開いたボア５の場合よりも、流体供給チャネル６に対して大きい入口を有す
る。閉じたボア４は、永久弾性密封材９によって液密に囲まれている。図１に示
した如く、保留分排出チャネル８を構成する開いたボア５に対するより小さい入
口１０は、同じく、開いたボア５の周縁範囲を部分的に囲む永久弾性密封材９に
よって構成される。隣接の偏平なセクションおよび隣接の保護フレームまたは保
護環状マスク（図示してない）に対して密封するため、密封材９は、離隔部材２
の平面から僅かに突出する。被濾過流体は、開いたボア３に対する大きい入口を
介して流体供給チャネル６から保留分離隔部材２に隣接のセクション（膜）によ
って形成されたオーバフロー間隙１５に流入し、両側で織物１をオーバフローし
、ボア３に対向する開いたボア５の入口１０を介してオーバフロー間隙から出て
、保留分排出チャネル８によって排出される。流動方向を矢印１１で示す。流体
の一部は、保留分離隔部材２に隣接する膜１３を通過し、濾液捕集間隙に捕集さ
れ、濾液離隔部材１４に濾液排出チャネル７を構成するための開いたボアによっ
て排出される。

【００１５】図２に示した如く、織物１からなる先行技術の保留分離隔部材２´は、同じく
、ボア３，４，５´を有し、この場合、開いたボア３には、流体供給チャネル６
が貫通し、閉じたボア４には、濾液排出チャネル７が貫通し、開いたボア５´に
は、保留分排出チャネル８が貫通する。この場合、開いたボア３，５´は、保留
分離隔部材２によって形成されたオーバフロー間隙１６と連通する。開いたボア
３，５´は、流体供給チャネル６および保留分排出チャネル８に対する等大の入
口を有する。

【００１６】本発明に係るクロスフロー式フィルタカセットの略断面図である図３に、本発
明の好ましい例の構造を示した。クロスフロー式フィルタカセット１２は、上下
の外側保留分離隔部材２と、複数の内側保留分離隔部材２´と、膜１３と、濾液
離隔部材１４とからなる。外側保留分離隔部材２の場合、流体供給チャネル６を
構成するための開いたボア３に対する入口は、保留分排出チャネル８を構成する
ための開いたボア５に対する入口よりも大きい。内側保留分離隔部材２´は、ボ
ア３，５´に対する入口が等大の先行技術の保留分離隔部材である。外側保留分
離隔部材２の開いたボア３に対するより大きい入口が流体供給チャネル６を形成
するよう流入板および／または流出板にクロスフロー式フィルタカセット１２を
接続すれば、オーバフロー間隙１５には、流体供給チャネル６および保留分排出
チャネル８に関して開いたボアに対して等大の入口を有する残余のオーバフロー
間隙１６の場合よりも高い圧力レベルの圧力勾配が生ずる。このより高い圧力レ
ベルによって、明らかに、偏平なセクションに力が作用し（上記オーバフロー間
隙が拡張され）、その結果、残余のオーバフロー間隙１６が狭窄され、かくして
、オーバフロー速度が上昇するか、オーバフロー速度を不変とすれば、フィルタ
カセットを介して送給される単位時間当りのオーバフロー流体量を減少する必要
がある。これを、オーバフロー間隙１５に記入した矢印で示す。

【００１７】図４に略断面図として示した先行技術のクロスフロー式フィルタカセットの場
合、すべてのオーバフロー間隙１５，１６には等しい圧力条件が支配する。なぜ
ならば、フィルタカセットは、一貫して、開いたボア３，５´に対する入口が等
大の先行技術の保留分離隔部材２´を有するよう構成されているからである。

【００１８】例１３０，０００ダルトンのポリエーテルスルホン製限外濾過膜の３２ヶのセクシ
ョン（合計膜面積０．７ｍ²）と、１６ヶの濾液離隔部材１４と、１７ヶの保留
分離隔部材２，２´とからなり、双方の外側保留分離隔部材２の保留分排出チャ
ネル８を構成するための開いたボア５に対する入口１０が、流体供給チャネル６
を構成するための開いたボア３に対するより大きい入口に関して約２０％小さい
、Ｓａｒｔｏｒｉｕｓ社のＳａｒｔｏｃｏｎ−２タイプのクロスフロー式フィル
タカセット１２によって、アルブミン５％を含むタンパク質水溶液の濃縮のため
に向流濾過を実施した。ほぼ同一の濾液流量を維持するため、保留分側の入口圧
力と出口圧力との間の圧力差に依存して、表１に示した保留分流量を達成しなけ
ればならなかった。表１

【表１】

【００１９】例２すべての保留分離隔部材２´が、流体供給チャネル６および保留分排出チャネ
ルを構成するためのボア３，５´に対して等大の入口を有するという点を除いて
例１と同一の条件下で作業を行った。得られた測定値を表２に示した。表２

【表２】

【００２０】図５に、例１，２から得られた結果をグラフとして示した。この場合、左の縦
座標に保留分流量（単位：ｌ／ｈｍ²）をプロットし、右の縦座標に対応する濾
液流量をプロットした。横座標に、圧力差△ｐ（単位：ｂａｒ）をプロットした
。図５から明らかな如く、従来のクロスフロー式フィルタカセットに比して、本
発明に係る改善されたクロスフロー式フィルタカセットの場合、保留分側の同一
の圧力差において同一の濾過能を達成するため、単に、少なくとも１／１．８の
保留分流量で十分である。かくして、向流濾過においてポンプ能力によって決ま
るエネルギ経費が、明らかに減少される。

【００２１】例３−６架橋された水和セルロースからなる３０，０００ダルトンの限外濾過膜（Ｓａ
ｒｔｏｒｉｕｓ社のＨｙｄｒｏｓａｒｔ（登録商標））の合計膜面積約０．６
ｍ²の２８ヶのセクションと、１４ヶの濾液離隔部材と、１５ヶの保留分離隔部
材とからなるＳａｒｔｏｃｏｎ２タイプのクロスフロー式フィルタカセットを
作製した。本発明にもとづき構成した保留分離隔部材は、約２０％縮小された入
口を有する。比較実験（例３−６）において、上記カセットを使用して、アルブ
ミン０．１％を含むタンパク質水溶液の濃縮を実施した。

【００２２】クロスフロー式フィルタカセット（モジュール）の構造および得られた結果を
表３に示した。表３から下記が知られる：即ち，ａ）本発明にもとづき１つのカセットに唯一つの保留分離隔部材を構成すれば十
分である（例４）。ｂ）すべての保留分離隔部材を本発明にもとづき構成した場合も、カセットを合
目的的に使用できる（例６）。表３膜透過圧１．５ｂａｒおよび保留分側圧力差３ｂａｒにおける０．１％アルブ
ミン水溶液の向流濾過結果

【表３】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る保留分離隔部材の図面である。

【図２】先行技術の保留分離隔部材の図面である。

【図３】本発明に係るクロスフロー式フィルタカセットの略断面図である。

【図４】先行技術のクロスフロー式フィルタカセットの略断面図である。

【図５】一定の透過流量において保留分流量と保留分側圧力差（入口圧力−出口圧力）
との関係曲線を示すグラフである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 4D006 GA06 HA42 JA02A JA04A JA04Z JA14A JA14Z JA18A JA18Z JA22Z MC11X MC45X MC62X NA41 PB12 PB52 PC01 PC11 PC41

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被濾過流体のオーバフロー間隙（１６）を構成するための少
なくとも１つの保留分離隔部材（２´）と、第１膜（１３）と、濾液捕集間隙を
構成するための濾液離隔部材（１４）と、第２膜（１３）とを交互に配置した偏
平なセクションからなる多数の隣接するフィルタセルから構成され、セクション
の面に対して好ましくは垂直に延びる流体供給チャネル（６）と、保留分排出チ
ャネル（８）と、濾液排出チャネル（７）とを構成するための同列のボア（３，
４，５）を有し、ここで離隔部材（２，１４）のチャネル方向へ閉鎖されたボア
は離隔部材（２，１４）の平面から僅かに突出した密封材（９）によって液密に
包囲されている改善されたクロスフロー式フィルタカセット（１２）であって、
１つの種類のチャネル（６，８）を構成するための開いたボア（３，５）に対す
る入口が、別種のチャネル（５，３）を構成するための開いたボア（５，３）に
対する入口（１０）よりも大きい、少なくとも１つの保留分離隔部材（２）が設
けてあることを特徴とする、前記フィルタカセット（１２）。
【請求項２】被濾過流体のオーバフロー間隙（１６）を構成するための少
なくとも１つの保留分離隔部材（２´）と、第１膜（１３）と、濾液捕集間隙を
構成するための濾液離隔部材（１４）と、第２膜（１３）とを交互に配置した偏
平なセクションからなる多数の隣接するフィルタセルから構成され、セクション
（２´，１３，１４）の面に対して好ましくは垂直に延びる流体供給チャネル（
６）と、保留分排出チャネル（８）と、濾液排出チャネル（７）とを構成するた
めの同列のボア（３，４，５）を有し、ここで離隔部材（２´，１４）のボアは
離隔部材（２，１４）の平面から僅かに突出しチャネル方向へ閉鎖された密封材
（９）によって液密に包囲され、膜（１３）は周縁範囲でボア（３，４，５）を
開放する保護フレームか、または膜のボア（３，４，５）の範囲をボア（３，４
，５）を開放する保護環状マスクで被われている、改善されたクロスフロー式フ
ィルタカセット（１２）であって、１つの種類のチャネル（６，８）を構成する
ための開いたボア（３，５）に対する入口が、別種のチャネル（８，６）を構成
するための開いたボア（５，３）に対する入口（１０）よりも大きい、少なくと
も１つの保留分離隔部材（２）が設けてあることを特徴とする、前記フィルタカ
セット（１２）。
【請求項３】膜（１３）が強化されてないことを特徴とする、請求項１に
記載の改善されたクロスフロー式フィルタカセット（１２）。
【請求項４】開いたボア（３，５）に対する大きさの異なる入口を有する
保留分離隔部材（２）が、外側および／または中心の保留分離隔部材（２）とし
てフィルタカセット（１２）に設けてあることを特徴とする、請求項１−３のい
ずれかに記載の改善されたクロスフロー式フィルタカセット（１２）。
【請求項５】開いたボア（３，５）に対する大きさの異なる入口を有する
保留分離隔部材（２）が、周期的順序でフィルタカセット（１２）に設けてある
ことを特徴とする、請求項１−３のいずれかに記載の改善されたクロスフロー式
フィルタカセット（１２）。
【請求項６】保留分離隔部材（２）の開いたボア（３，５）に対してより
小さい入口が保留分チャネル（８）と連通するよう流入板と流出板との間にクロ
スフロー式フィルタカセット（１２）が設けられた、低ポンプ出力のクロスフロ
ー式濾過装置における液状媒体を向流濾過するための、請求項１〜５のいずれか
に記載の改善されたクロスフロー式フィルタカセット（１２）の使用。
【請求項７】クロスフロー式フィルタカセット（１２）が保留分離隔部材
（２）の開いたボア（３，５）に対するより小さい入口が流体供給チャネル（６
）と連通するように、流入板と流出板との間に設けられた、高ポンプ出力のクロ
スフロー式濾過装置における液状媒体を向流濾過するための、請求項１〜６のい
ずれかに記載の改善されたクロスフロー式フィルタカセット（１２）の使用。